中國自主乘用車車身用材發(fā)展歷程

李軍 孫壘 馮昌川

中國汽車工業(yè)的發(fā)展壯大，也是中國工業(yè)發(fā)展史的一個(gè)縮影。特別是2001年以后，中國自主品牌汽車異軍突起，發(fā)展迅猛，日益成為中國汽車產(chǎn)業(yè)中一支重要的生力軍。自主品牌乘用車在所處的不同歷史時(shí)期也有其自身特點(diǎn)，車身材料技術(shù)作為乘用車的核心技術(shù)之一，見證了我國汽車工業(yè)的發(fā)展歷程。

1 國內(nèi)乘用車車身輕量化趨勢

對于乘用車白車身，輕量化材料的應(yīng)用主要方向是：鋼制車身→鋼鋁混合車身→全鋁車身→全碳纖維車身（圖1）。傳統(tǒng)軟鋼逐漸減少，高強(qiáng)度鋼、鋁合金和碳纖維等新材料將逐步得到應(yīng)用。根據(jù)產(chǎn)品的定位不同，各汽車企業(yè)將選擇適合自己的車企輕量化技術(shù)路線。

車身輕量化系數(shù)[1]是評價(jià)白車身輕量化水平的一個(gè)重要指標(biāo)。近年來，隨著車身高強(qiáng)度鋼、鋁合金的應(yīng)用，行業(yè)的車身輕量化水平也在不斷提高。圖2為歷年歐洲車身會(huì)議和國內(nèi)車身會(huì)議的轎車平均車身輕量化系數(shù)，可見國內(nèi)車身輕量化技術(shù)發(fā)展較快，與國外車型的差距不斷縮小。

2 自主品牌乘用車車身用材情況

隨著國內(nèi)汽車工業(yè)和輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車車身用材也在不斷的發(fā)生變化。傳統(tǒng)冷軋低碳鋼的應(yīng)用比例在逐漸縮小，先進(jìn)高強(qiáng)鋼、熱成形鋼、鋁型材、鋁板、壓鑄鋁、鎂合金等材料的應(yīng)用比例呈快速增長趨勢[7]。

2.1 高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用

2.1.1 高強(qiáng)鋼概述[8]

采用高強(qiáng)度鋼替代低強(qiáng)度鋼板可以達(dá)到減薄板材厚度和輕量化的目的，并能同時(shí)保證汽車的碰撞安全性。高強(qiáng)度鋼以較高的性價(jià)比、成熟的設(shè)計(jì)和制造工藝，已成為車身輕量化材料的首選。在減重、節(jié)能、提高安全性、降低排放等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景和競爭力。

近年來，國內(nèi)自主品牌乘用車高強(qiáng)鋼以及超高強(qiáng)鋼（含熱成形鋼）的應(yīng)用比例持續(xù)增加，圖3展示了2012—2017年自主品牌典型車身用材情況（傳統(tǒng)燃油車）。從圖3可以看出，2012年高強(qiáng)鋼的比例不足50%，到2016年高強(qiáng)鋼比例已超過了60%，2017年達(dá)到了65%以上，達(dá)到或超過同級別合資品牌的高強(qiáng)鋼應(yīng)用水平。相對于鎂鋁合金材料，高強(qiáng)鋼的成本、性能和技術(shù)成熟度優(yōu)勢明顯，在可預(yù)見的未來，高強(qiáng)鋼將依然是車身的主要材料。

2.1.2 典型車型高強(qiáng)鋼應(yīng)用

2.1.2.1 北汽集團(tuán)——紳寶X55

北汽集團(tuán)車身高強(qiáng)鋼應(yīng)用比例已達(dá)55%以上，新開發(fā)車型已達(dá)到60%以上。圖4為北汽集團(tuán)“紳寶X55”車型，其熱成形件用量達(dá)到11件，單車降重20kg以上，且實(shí)現(xiàn)了成本降低。熱成形材料是近年來北汽集團(tuán)車身輕量化應(yīng)用的重點(diǎn)材料，未來新車型上用量將進(jìn)一步增加，單車用鋁將達(dá)20件以上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車型輕量化。

2.1.2.2 奇瑞汽車——瑞虎7

奇瑞汽車股份有限公司（簡稱“奇瑞汽車”）車身高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例已達(dá)55%以上，且高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度級別越來越高。圖5是奇瑞汽車“瑞虎7”車型的高強(qiáng)鋼應(yīng)用示意圖。車身通過高強(qiáng)鋼應(yīng)用實(shí)現(xiàn)減重7.1kg，同時(shí)保證了符合中國新車評價(jià)規(guī)程（C—NCAP）五星水平。

2.1.2.3 長城汽車——哈弗H6

作為長城汽車乃至國內(nèi)汽車市場的明星車型，哈弗H6一直以來都是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。該車型覆蓋件大量選用180MPa、220MPa烘烤硬化鋼取代傳統(tǒng)的低碳軟鋼，實(shí)現(xiàn)了10%以上的減重；防撞梁等安全件大量選用了590MPa、780MPa的雙相鋼鋼等先進(jìn)高強(qiáng)度鋼；車門防撞梁選用了1200MPa以上的超高強(qiáng)度鋼。該車車身高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用比達(dá)到60%以上。高強(qiáng)度鋼的大量應(yīng)用也確保了其達(dá)到整車安全C—NCAP五星要求。

2.1.2.4 東風(fēng)汽車——風(fēng)神AX4

風(fēng)神AX4——作為一款以“90后”人群為目標(biāo)用戶，定位時(shí)尚的小型SUV。風(fēng)神AX4采用東風(fēng)汽車代號為DF1平臺(tái)的設(shè)計(jì)，白車身重440.2kg，輕量化系數(shù)為3.65。車身除覆蓋件大量采用高強(qiáng)度鋼板，關(guān)鍵部位采用超高強(qiáng)度鋼板。高強(qiáng)度鋼/先進(jìn)高強(qiáng)度鋼/超高強(qiáng)度鋼比例合計(jì)達(dá)到65%，具體用材分布見圖6。

2.2 鋁合金的應(yīng)用

2.2.1 鋁合金應(yīng)用趨勢

與國外和合資品牌相比，自主品牌在鋁合金車身技術(shù)上才剛剛起步，還存在明顯的差距。自主乘用車品牌大多已開展鋁合金應(yīng)用技術(shù)的研究，部分已開始嘗試應(yīng)用。

根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)結(jié)果，北美的單車用鋁量已達(dá)到約158kg，約占9%，2015年達(dá)到10.4%，約179kg。國內(nèi)乘用車用鋁量基本在7%～10%左右，與美國目前9%～10%的差距并不是非常明顯。隨著新能源汽車的發(fā)展，國內(nèi)自主品牌的鋁合金用量未來將顯著提升，除典型的鋁合金擠壓型材（防撞梁）的批量應(yīng)用之外，在新能源汽車的全鋁車身骨架、鋁合金沖壓汽車板、鋁合金減震塔等方面均實(shí)現(xiàn)了突破和批量應(yīng)用。圖7為2018年北京車展各類車型的車身用鋁情況和售價(jià)。鋁合金輕質(zhì)材料在新能源車中的應(yīng)用比例較高，從A00級到C級車均有大量應(yīng)用。其中，A00級車主要為框架式車身，白車身材料以鋁型材為主，外覆蓋件使用非金屬復(fù)合材料。傳統(tǒng)乘用車的鋁合金應(yīng)用主要集中在中高端車型，自主品牌中端車型有部分應(yīng)用鋁合金發(fā)蓋，外資高端車型采用鋁合金多材料車身，售價(jià)在40萬元以上。

2.2.2 典型車型鋁合金應(yīng)用

2.2.2.1 奇瑞汽車“小螞蟻”鋁合金應(yīng)用

奇瑞汽車“小螞蟻”通過鋁型材MIG焊接，形成車身主體框架。其擠壓型材主要選用空心材和心部增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，除了質(zhì)量小、剛度高以外，耐腐蝕性能也非常優(yōu)異。

相比于鋼制車身，采用框架式鋁合金車身可減重110kg，減重比例達(dá)40%。鋁型材的比例達(dá)66.9%，鋁板材占24.2%，其余為少量鑄鋁件和鈑金件?！靶∥浵仭避嚿磉€采用了復(fù)雜斷面設(shè)計(jì)、高強(qiáng)度鋁鎂合金擠壓成型、3D空間精密彎曲、激光組合焊接等先進(jìn)技術(shù)。車身骨架重94.4kg，扭轉(zhuǎn)剛度為13 000N·m/deg，輕量化系數(shù)做到3.1，并且具有良好的碰撞性能表現(xiàn)。

此外，“小螞蟻”創(chuàng)新應(yīng)用了先進(jìn)的、獨(dú)特的制造工藝，簡化了傳統(tǒng)沖、焊、涂、總4大流程，其制造流程如圖8所示。主機(jī)廠僅負(fù)責(zé)焊裝和總裝，減少了廠房建設(shè)和工裝投入。

2.2.2.2 鋁合金板材車身——蔚來ES8

蔚來ES8——是國內(nèi)首款采用鋁合金板材的全鋁車身，如圖9所示，車身上鋁材的使用率高達(dá)96.4%，成為全球量產(chǎn)的全鋁車身中鋁材應(yīng)用量比例最高的車型。其白車身質(zhì)量335kg，扭轉(zhuǎn)剛度4 4140N·m/deg，白車身輕量化系數(shù)為2.02。

ES8白車身以鋁板材為主，減震塔和后縱梁為壓鑄鋁合金，橫梁和部分結(jié)構(gòu)件采用鋁型材。另外，ES8的前端結(jié)構(gòu)采用了鎂合金，其工藝為高壓鑄造，相對于鋁合金可減重30%左右。

2.3 塑料的應(yīng)用

2.3.1 塑料件應(yīng)用趨勢

塑料在汽車上的應(yīng)用主要集中在外飾件和內(nèi)飾件，隨著輕量化技術(shù)的進(jìn)步，塑料件在車身上的應(yīng)用開始出現(xiàn)并增長。20世紀(jì)90年代，塑料的單車用量在90～120kg之間，2005年達(dá)到了160kg，2015年達(dá)到了230kg。

車身塑料件的應(yīng)用以增強(qiáng)復(fù)合材料為主，其中碳纖增強(qiáng)復(fù)合材料的占比較大，這是由于碳纖增強(qiáng)復(fù)合材料具有較好的強(qiáng)度、剛度、比模量和耐沖擊性。

2.3.2 塑料件在車身系統(tǒng)的典型應(yīng)用

2.3.2.1 奇瑞“小螞蟻”車身外覆蓋件

2013年寶馬i3白車身率先采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，外覆蓋件使用了工程塑料。近幾年，隨著國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及輕量化的需求日益增強(qiáng)，越來越多的電動(dòng)車應(yīng)用了塑料外覆蓋件。圖10為奇瑞“小螞蟻”外覆蓋件，其外覆蓋件全部采用工程塑料，可實(shí)現(xiàn)輕量化40%。

車身外覆蓋件選材在傳統(tǒng)軟鋼的基礎(chǔ)上將向著塑料等輕質(zhì)材料方向發(fā)展，除考慮零件輕量化外，前期模具等投入費(fèi)用相對于傳統(tǒng)鋼制沖壓件也大幅降低。因此在一些小型新能源車上實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用，如北汽新能源Lite、東風(fēng)E30、奇瑞小螞蟻等。

2.3.2.2 江淮汽車“瑞風(fēng)S5”塑料前端模塊

塑料前端模塊在合資品牌中已得到廣泛應(yīng)用，但在自主品牌中的應(yīng)用相對滯后。傳統(tǒng)意義上的前端模塊通常由100多個(gè)散部件組成，重點(diǎn)涉及照明系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、減震裝置、空調(diào)冷凝器和空氣凈化器以及引擎蓋鎖緊裝置、軟管、接頭和部分線束等。目前，前端模塊主要以塑料材料為主，由零部件供應(yīng)商供貨，主機(jī)廠進(jìn)行裝配。

玻纖/長玻纖增強(qiáng)尼龍（PA）或者長玻纖增強(qiáng)聚丙烯纖維（LGF+PP）是近年來較受歡迎的前端模塊材料。一般通過模壓或者注塑成型得到成品。國內(nèi)江淮汽車在其瑞風(fēng)S5車型上采用了長玻纖增強(qiáng)PP前端模塊，實(shí)現(xiàn)減重50%。此外，北汽、奇瑞、長安等車企均在新車型實(shí)現(xiàn)了塑料前端模塊的研發(fā)和量產(chǎn)。

2.3.2.3 東風(fēng)汽車“AX4”塑料后尾門

后尾門是SUV或兩廂轎車尾部后背上的車門，是最重要的外覆蓋件之一，也是影響整車外觀質(zhì)量的關(guān)鍵零件。后尾門一般由經(jīng)冷沖壓而成的外板件和內(nèi)板件再經(jīng)過包邊壓合工藝連接一體。由于產(chǎn)品特點(diǎn)，其外形輪廓多不規(guī)則，制作工藝復(fù)雜。后尾門外板一般需要具有一定的剛度和強(qiáng)度，較高的成形性，較高的抗凹性能以及良好的外觀表面。

近年來，全塑尾門成為新的流行趨勢。內(nèi)板一般使用LGF+PP，外板和擾流板使用PP或者聚烯烴熱塑性彈性體（TPO），全部使用注塑工藝成型，然后涂膠進(jìn)行裝配。圖11為東風(fēng)AX4的塑料后尾門，其采用塑料后背面替代鋼制件，實(shí)現(xiàn)輕量化19.5%。

此外，國內(nèi)北汽、吉利、長安、宇通、奇瑞、長城等國內(nèi)自主品牌車企也紛紛開發(fā)了塑料后尾門。

2.3.2.4 江淮汽車“S3”塑料后防撞梁

由于市場認(rèn)知度和接受度，纖維增強(qiáng)塑料的防撞梁在前保橫梁中應(yīng)用較少，但在后保橫梁上已有一定的應(yīng)用。歐、美、日、韓等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)已大量應(yīng)用熱塑性復(fù)合材料制造汽車前/后防撞梁，如現(xiàn)代的“悅動(dòng)”、大眾的“高爾夫”等車型均采用了玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（GMT）的后保險(xiǎn)杠橫梁。

目前，國內(nèi)自主品牌車企還沒有開始大量的應(yīng)用，但相關(guān)的研究和開發(fā)工作已大量展開。江淮瑞風(fēng)S3的后橫梁已實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料批量應(yīng)用，如圖12所示，相比于鋼制零件，可減重0.9kg，輕量化28%，并可保持成本不上升。另外，奇瑞、上汽、吉利等自主品牌車企也開展了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料保險(xiǎn)杠橫梁的開發(fā)。

3 乘用車車身用材發(fā)展趨勢

由于國內(nèi)現(xiàn)有階段油耗法規(guī)不能有效地引導(dǎo)車輛小型化和輕量化的趨勢，同時(shí)國產(chǎn)乘用車的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與品牌力不足，導(dǎo)致輕量化技術(shù)的推廣應(yīng)用受到很大的制約。國產(chǎn)乘用車的產(chǎn)品與品牌處于低價(jià)區(qū)，因此對成本的增加相對敏感。燃油車的輕量化尚需油耗法規(guī)體系的進(jìn)一步推動(dòng)，第四五階段油耗實(shí)施后將具有更大的驅(qū)動(dòng)力[9]。

基于上述現(xiàn)實(shí)原因，國產(chǎn)乘用車車身輕量化用材的趨勢可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

3.1 傳統(tǒng)燃油車車身：以鋼為主多材料混合的技術(shù)路線

“以鋼為主，多材料混合”仍是燃油車輕量化的主流技術(shù)路線。由于鋼鐵材料在強(qiáng)度、塑性、抗沖擊能力、回收使用及低成本方面具有綜合的優(yōu)越性，其在汽車材料中的主導(dǎo)地位仍是不可動(dòng)搖的，尤其是高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用還將有較大的增長空間。電動(dòng)化、智能化、共享化成為汽車行業(yè)的新的趨勢，但正如大眾汽車總裁所說，汽車行業(yè)也面臨低成本化的制約。

3.2 開發(fā)以滿足新能源汽車特點(diǎn)的輕量化車身材料技術(shù)路線

發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國走向汽車強(qiáng)國的必由之路，是我國汽車工業(yè)由大到強(qiáng)的唯一出路。而目前新能源汽車對于輕量化的需求最為迫切，在現(xiàn)有電池材料技術(shù)難有實(shí)質(zhì)性突破的情況下，輕量化成為新能源汽車的迫切需求，輕量化有望成為我國輕量化技術(shù)應(yīng)用推廣的突破口。此外，新能源汽車對成本相對不敏感，新能源汽車的產(chǎn)量相對較低，一些輕量化方案對于低產(chǎn)量的車型具有成本優(yōu)勢，且技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小。因而，可以通過新能源汽車的應(yīng)用，積累經(jīng)驗(yàn)，降低應(yīng)用成本，再向傳統(tǒng)乘用車上轉(zhuǎn)移。

國內(nèi)輕量化的突破在于新能源汽車，通過提高技術(shù)的成熟度、規(guī)?；瘞淼牡统杀净瑫?huì)進(jìn)一步推動(dòng)燃油車的輕量化。

參考文獻(xiàn)

[1] 李軍，陳云霞，孫衛(wèi)健，等.乘用車輕量化評價(jià)方法研究[J].汽車工藝與材料，2014，（9）：1-5.

[2] 2013中國輕量化車身會(huì)議[C].武漢：汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，2013.

[3] 2014中國輕量化車身會(huì)議[C].上海：汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，2014.

[4] 2015中國輕量化車身會(huì)議[C].重慶：汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，2015.

[5] 2016中國輕量化車身會(huì)議[C].上海：汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，2016.

[6] 2017中國輕量化車身會(huì)議[C].上海：汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，2017.

[7] 中國汽車工程學(xué)會(huì)，中國汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心.中國汽車輕量化發(fā)展——戰(zhàn)略與路徑[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2015.

[8] 李軍，路洪洲，易紅亮，等.乘用車輕量化及微合金化鋼板的應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.

[9] 2016中國乘用車燃料消耗量發(fā)展年度報(bào)告[R].能源與交通創(chuàng)新中心，2017.